Transcript Chapter. 18
Chapter. 18 Operational Amplifiers 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 1 18-1 Introduction Vin DIFF AMP More Stages of Gain B급 Vout P.P(EF) +Vcc V1 + V2 -VEE 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 2 18-1 Introduction 741C 2015-04-08 High input Impedance 2㏁ Low output Impedance 75Ω High Gain 10万 CMRR 90dB Unit-gain freq. (funit) 1㎒ Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 3 18-1 Introduction 용도 ① Audio Amp. preAmp. : 出 50㎽ 이하 가청주파증폭기 medium-level Amp. : 出力 50~500㎽ power Amp. : 500㎽ 이상 ② Video Amp. LMH03 Oscilloscope : 0~10㎒ TV : 0~4㎒ RF, IF Amp. 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 4 18-2 741 OP Amp. 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 5 18-2 741 OP Amp. ☆ Freq. Compensation : Cc Cin ( A 1)Cc A : Q5, Q6 의 Gain ※ open loop OP-Amp. first-order response Cc Oscillation 방지 보상용 Capacitor 위상지연 회로 구성 (20㏈/dec or 6㏈/oct) 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 6 18-2 741 OP Amp. ☆ Bias and offsets ◎ Input bias cuurrent (80㎁) Input offset current (20㎁) Output error 무시가능 ◎ equal base resistor 사용 output error 감소 가능 ○ input bias current (80㎁) 같은 RB 저항으로 제거 ○ input offset current (20㎁) input offset voltage 2㎷로 제거 또는 10㏀ 의 potentiometer(전위차계, 분압기)로 Input signal이 zero가 되게 하여 output voltage를 zero로 하게 한다. 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 7 18-2 741 OP Amp. ☆ CMRR 741C 90㏈ - ordinary signal 이 Common-mode signal 보다 30,000배 커야 한다는 의미 log3≒0.48 20log3≒9.6 20log(3×10⁴) ≒89.6 ≒90 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 8 18-2 741 OP Amp. ☆ Maximum peak-to-peak output -Output voltage can swing almost to the supply voltages. Vcc=+15V VEE=-15V Mpp=30V 실제 27V 2015-04-08 (load Resistance RL=10㏀) (RL=10㏀) ±13.5V Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 9 18-2 741 OP Amp. ☆ Short-Circuit current Short-circuit output current : 25㎃ (RL≈0) (Maximum output current) RL < 75 Ω 보다 적으면 큰 출력 전압을 얻을 수 없다. ( ∵ 25㎃×RL ≥ output voltages ) 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 10 18-2 741 OP Amp. ☆ Frequency Response 741C LM318 funit 15㎒ 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 11 18-2 741 OP Amp. ☆ Slew rate Ex) i C dV dt Vout Slope dV i dt C dV out IMAX dt C 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) IMAX CC t 12 18-2 741 OP Amp. ☆ Slew rate IMAX SR CC - OP Amp. 에서는 OP Amp. 에서는 이것보다 Max. 일 수는 없다. SR IT 15A 0.5V (741C) sec CC 30 pF 入力 성분의 정현파 기울기가 SR보다 작아야 한다. 2015-04-08 SR SS Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 13 18-2 741 OP Amp. Ex) fmax ; power bandwidth (전력대역폭)(large-signal bandwidth) V VP sin wt dV wVP cos wt dt SS 2fVP ; S slope 2015-04-08 ∴ 왜곡이 발생하지 않는 최대주파수 S R SS 2fVP 에서 SR f max 2VP Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 14 18-2 741 OP Amp. VP 10V Ex) S R 0.5V 0.5V f max sec 2 (10) sec 7.96㎑ trade-off (상호조정) : 출력전압을 감소시키거나 2015-04-08 S R을 증가(좋은 OP Amp.) Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 15 18-3 The Inverting Amp. ※ Inverting Negative feedback Negative feedback 의 특징 • 이득의 안정화 • 입출력 Imp. 개선 • 비선형 왜곡 감소 • 주파수 대역폭 증가 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 16 18-3 The Inverting Amp. R2 iin iin + V2 - R1 Vin Vitual ground 2015-04-08 Verror Vout + Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 17 18-3 The Inverting Amp. ① ACL Vin iin R1 Vout R 2iin R2 Vout Vin R1 Vout R2 ACL Vin R1 2015-04-08 Vout AV error B R1 R2 Vout A(Vin BVout ) (1 AB)Vout AVin Vout A Vin 1 AB 1 B Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 18 18-3 The Inverting Amp. ① Input Imp. Zin(CL ) R1 ② bandwidth for 741C f2(OL)=10㎐ 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 19 18-3 The Inverting Amp. A ※ Amid f 1 j f2 A Amid f 1 f 2 2 A 1 ACL 1 AB B ACL 2015-04-08 Amid f 1 Amid B j f2 ACL Amid 1 Amid B Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 20 ACL f 2(CL ) Amid f 1 Amid B j f2 f 1 Amid B f2 = f 2(CL ) (1 Amid B) f 2 ‥‥ ① (1+AB)배 만큼 증가 Amid ACL 1 Amid B 2015-04-08 ‥‥ ② Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 21 ②식 양변에 ①식을 곱하면 1105 10㎐ ACL f 2(CL ) Amid f 2 funity 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 22 18-3 The Inverting Amp. ③ Bias and Offsets Verror AOL (V 1err V 2err V 3err ) Vout A Verror Vdist A (Vin BVout ) Vdist A Vdist Vout Vin 1 AB 1 AB 2015-04-08 ※ Verror(out) 가 원인 (output offset voltage의 원인) input offset voltage input offset current input bias current Vout ( off ) VOO ( CL ) 1 AB Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 23 V 1error ( RB1 RB 2) Iin(bias ) V 2 error Iin( off ) ( RB1 RB 2) 2 V 3error Vin( off ) 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 24 18-4 The Noninverting Amp. V1 Vin Vitual short + Verror V2 - rin ≈∞ Vout R2 R1 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 25 18-4 The Noninverting Amp. Vout AV error A(V 1 V 2) R1 V2 Vout R1 R 2 V 2 B Vout 2015-04-08 rin R1 B R1 R 2 B R2 R1 ( R1 // rin) R 2 ( R1 // rin) R1 R1 R 2 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 26 Vout A(Vin BVout ) (1 AB)Vout AVin Vout A 1 Vin 1 AB B ( AB 1) R 2 R1 R 2 ACL 1 R1 R1 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 27 ※ 간단한 암기 방법 Vout A(V 1 V 2) Vout V 1 V 2 0 A V 1 V 2 Vin BVout Vout 1 Vin B 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 28 18-4 The Noninverting Amp. ※ input Imp. iin + + Vin rout(CL) rin Verror - - Vout rout AVerror R1 RL + BVout R2 - 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 29 Vin BVout Verror Vin Verror BVout Verror ABVerror (1 AB)Verror Verror iin rin 2015-04-08 Vin (1 AB)iin rin Vin (1 AB ) rin iin rin(CL ) (1 AB)rin Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 배 30 18-4 The Noninverting Amp. ※ 出力 Imp. RL 감소 출력 전류 大 rout 의 큰 전압강하 출력 감소 귀환 량의 감소 Verror 증가 rout 에 걸리는 부가적인 전 압 강하를 거의 offset 하는 테브난 전압을 크게 발생 (AVerror) 출력 임피던스 감소 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 31 rout rout ( CL ) 1 AB AVerr rout iout Vout A(Vin BVout ) rout iout Vout rout iout (1 AB)Vout Vout rout iout 1 AB rout ( CL ) 2015-04-08 rout 1 AB Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 32 18-4 The Noninverting Amp. 일정 ※ funity f 2(CL ) ACL A(CL ) f 2(CL ) funity Amid f 2 1㎒ 둔화 ※ output offset voltage Vout AVerror Vout (off ) A(Vin BVout ) Vout (off ) A Vout ( off ) Vout ( CL ) Vin 1 AB 1 AB 2015-04-08 감소 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 33 18-5 Two Op-Amp. Applications ① The Summing Amp. (합산기) V1 V2 R1 i1 RF R2 Vout i1+i2 i2 - + 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 34 Vout (i1 i 2) RF V1 i1 R1 V2 i2 R2 if R1 R2 RF R Vout V 1 V 2 RF RF Vout V1 V 2 R1 R2 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 35 18-5 Two Op-Amp. Applications ① Voltage follower + + Vin - Vout Vin - Vout R2 =0 R1=∞ 1 R1 R 2 R2 ACL 1 1 B R1 R1 2015-04-08 f 2(CL ) funity Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 36 18-6 Linear ICs L F BIFET (Biochemical FET) ※ BIFET : Si 를 기판으로 하고 금속-절연체-반도체(MIS) 전계효과형 트랜지스터의 금속을 대신하여, 생체감수성재료를 사용한 FET 이다. 아래 그림과 같이 생체감수성재료(막)에서는 감지 되는 물질에 적합한 수용물질을 매몰해서 두는 (고정화) 검지 물질이 수용체에 흡착되면 막 전위가 변화되어 소스-드레인 간에 전류가 흐른다. 수용물질(受容物質) 생체감수성막(재료) 산화막 D S 채널 Si 기판 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 37 18-6 Linear ICs BIFET (LF351, ‥‥) • maximum input offset voltage = 10 ㎷ • maximum input bias current = 0.2 ㎁ • maximum input offset current = 0.1 ㎁ • short-circuit current = 10 ㎁ • SR = 13 V/μs • AOL = 88 ㏈ • funity = 4 ㎒ • CMRR = 70 ㏈ • PSRR = 2015-04-08 Vin( off ) (power supply rejection ratio) VS Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 38 ☆ PSRR = -76 ㏈ 76 PSRR ant log 0.000158 20 = 158 μV/V 전원전압이 1V 변화하면 input offset voltage 가 158μV 변화 전원전압의 변화는 출력 오차전압 발생 출력오차전압 = input offset voltage 폐루프전압이득( ACL ) ☆ drift = 10 μV/℃ 『 1℃ 상승시 10㎶ 의 input offset voltage 증가 』 2015-04-08 Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr) 39